마그네슘 : 역사, 구조, 특성, 반응, 용도 - 화학 - 2025

마그네슘은 주기율표 제 2 족에 속하는 알칼리 토금속이다. 원자 번호는 12이며 화학 기호 Mg로 표시됩니다. 지각에서 8 번째로 가장 풍부한 원소로, 약 2.5 %입니다.

이 금속은 동족체 및 알칼리 금속과 마찬가지로 자연 상태에서는 발견되지 않지만 다른 원소와 결합하여 암석, 해수 및 염수에 존재하는 수많은 화합물을 형성합니다.

마그네슘으로 만든 일상 용품. 출처 : Wikipedia의 Firetwister.

마그네슘은 백운석 (칼슘 및 탄산 마그네슘), 마그네사이트 (탄산 마그네슘), 카르 날 라이트 (마그네슘 및 염화칼륨 6 수화물), 브루 사이트 (수산화 마그네슘)와 같은 미네랄의 일부 및 활석 및 감람석.

확장을위한 가장 풍부한 천연 자원은 바다로, 그레이트 솔트 레이크 (1.1 %)와 사해 (3.4 %)는 마그네슘 농도가 더 높지만 0.13 %의 풍부함을 가지고 있습니다. 증발에 의해 농축되는 함량이 높은 염수가 있습니다.

마그네슘이라는 이름은 아마도 고대 그리스 지역 인 테살 리아 지역의 마그네시아에서 발견 된 마그네사이트에서 유래했을 것입니다. 그러나 마그네타이트와 망간이 같은 지역에서 발견되었다는 지적이 있습니다.

마그네슘은 645 ° C 이상의 온도에서 산소와 강하게 반응합니다. 한편 마그네슘 분말은 건조한 공기에서 연소되어 강렬한 백색광을 방출합니다. 이런 이유로 사진의 광원으로 사용되었습니다. 현재이 속성은 여전히 ​​불꽃 놀이에서 사용됩니다.

그것은 살아있는 존재에게 필수적인 요소입니다. 여러 해당 효소를 포함하여 300 개 이상의 효소에 대한 보조 인자로 알려져 있습니다. 이것은 주요 세포 에너지 원인 ATP 생산과의 관계로 인해 생명체에게 필수적인 과정입니다.

마찬가지로, 그것은 엽록소에 존재하는 헤모글로빈의 헴 그룹과 유사한 복합체의 일부입니다. 이것은 광합성의 실현에 참여하는 안료입니다.

역사

인식

스코틀랜드의 화학자 인 조셉 블랙은 1755 년에 그것을 원소로 인식했고, 칼슘과 혼동하는 금속 인 칼슘과는 다르다는 것을 실험적으로 보여주었습니다.

이와 관련하여 Black은 "우리는 이미 실험을 통해 마그네시아 알바 (탄산 마그네슘)가 특이한 지구와 고정 된 공기의 화합물임을 확인했습니다."라고 썼습니다.

격리

1808 년에 Humprey Davy 경은 전기 분해를 사용하여 마그네슘과 수은의 아말감을 생성하는 데 성공했습니다. 수은을 음극으로 사용하여 젖은 황산염 염을 전기 분해하여이를 수행했습니다. 그 후 가열하여 말감에서 수은을 증발시켜 마그네슘 잔류 물을 남겼습니다.

A. 프랑스 과학자 인 Bussy는 1833 년에 최초의 금속 마그네슘을 생산했습니다. 이를 위해 Bussy는 금속 칼륨으로 용융 염화 마그네슘을 환원 시켰습니다.

1833 년 영국 과학자 마이클 패러데이는 처음으로이 금속을 분리하기 위해 염화 마그네슘의 전기 분해를 사용했습니다.

생산

1886 년 독일 회사 인 Aluminum und Magnesiumfabrik Hemelingen은 용융 카르 날 라이트 (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) 의 전기 분해를 사용하여 마그네슘을 생산했습니다.

Hemelingen은 Farbe 산업 단지 (IG Farben)와 협력하여 마그네슘 및 염소 생산을위한 전기 분해를위한 다량의 용융 염화 마그네슘을 생산하는 기술을 개발하는 데 성공했습니다.

제 2 차 세계 대전 동안 Dow Chemical Company (미국)와 Magnesium Elektron LTD (영국)는 해수의 전해 환원을 시작했습니다. 마그네슘 생산을 위해 텍사스 갤버스턴 베이와 북해에서 영국 하 틀풀로 펌핑되었습니다.

동시에 온타리오 (캐나다)는 LM Pidgeon 프로세스를 기반으로 생산하는 기술을 만듭니다. 이 기술은 외부에서 소성 된 레토르트에서 규산염과 산화 마그네슘의 열적 환원으로 구성됩니다.

마그네슘의 구조 및 전자 구성

마그네슘은 각각의 원자가 12 개의 이웃으로 둘러싸여있는 조밀 한 육각형 구조로 결정화됩니다. 이것은 리튬이나 나트륨과 같은 다른 금속보다 밀도가 높습니다.

그것의 전자 구성은 3s ² 이며, 2 개의 원자가 전자와 10 개의 내부 쉘이 있습니다. 나트륨에 비해 전자가 더 많으므로 금속 결합이 더 강해집니다.

이것은 원자가 더 작고 핵에 양성자가 하나 더 있기 때문입니다. 따라서 그들은 인접한 원자의 전자에 더 큰 인력 효과를 발휘하여 그들 사이의 거리를 축소합니다. 또한 두 개의 전자가 있기 때문에 결과적으로 생성되는 3s 밴드가 가득 차서 핵의 매력을 더 많이 느낄 수 있습니다.

그런 다음 Mg 원자는 강력한 금속 결합을 가진 조밀 한 육각형 결정을 형성합니다. 이것은 나트륨 (98ºC)보다 훨씬 더 높은 융점 (650ºC)을 설명합니다.

모든 원자의 모든 3s 오비탈과 12 개의 이웃이 결정 내에서 모든 방향으로 겹치고, 두 전자는 다른 두 개가 오면 떠납니다. 그래서 Mg ²⁺ 양이온이 발생하지 않고 .

산화 번호

마그네슘은 화합물을 형성 할 때 두 개의 전자를 잃어 Mg ²⁺ 양이온이 될 수 있으며 , 이는 고귀한 가스 네온과 등 전자입니다. 어떤 화합물에 존재하는 것을 고려할 때 마그네슘의 산화수는 +2입니다.

다른 한편으로, 덜 일반적이지만 Mg ⁺ 양이온이 형성 될 수 있는데, 이는 두 전자 중 하나만 손실되고 나트륨에 대해 등 전자입니다. 화합물에 존재한다고 가정하면 마그네슘의 산화수는 +1이라고합니다.

속성

외모

산화되거나 습한 공기와 반응하기 전에 순수한 상태의 밝은 흰색 고체.

원자 질량

24.304g / 몰.

녹는 점

650 ° C

비점

1,091 ° C

밀도

1.738 g / cm ³ 실온에서 첨가 하였다. Y 1.584 g / cm ³ 용융 온도; 즉, 액체상은 대부분의 화합물 또는 물질의 경우처럼 고체상보다 밀도가 낮습니다.

융합 열

848 kJ / 몰.

기화열

128 kJ / 몰.

몰 칼로리 용량

24.869 J / (몰 · K).

증기압

701K에서 : 1Pa; 즉, 증기압이 매우 낮습니다.

전기 음성도

1.31 폴링 척도.

이온화 에너지

1 차 이온화 수준 : 1,737.2 kJ / mol (Mg ⁺ 가스)

2 차 이온화 수준 : 1,450.7 kJ / mol (Mg ²⁺ 가스, 더 적은 에너지 필요)

세 번째 수준의 이온화 : 7,732.7 kJ / mol (Mg ³⁺ 가스, 많은 에너지 필요).

원자 라디오

오후 160시.

공유 반경

141 ± 17 오후

원자량

13.97 cm ³ / mol.

열 팽창

25 ° C에서 24.8 µm / m · K

열 전도성

156 W / m K.

전기 저항

20 ° C에서 43.9nΩ · m

전기 전도도

22.4 × 10 ⁶ S는 CM ³ .

경도

2.5 Mohs 척도.

명명법

금속 마그네슘에는 다른 이름이 없습니다. 그 화합물은 대부분 산화수가 +2 인 것으로 간주되기 때문에 괄호 안에 숫자를 표시 할 필요없이 스톡 명명법을 사용하여 언급됩니다.

예를 들어, MgO는 산화 마그네슘 (II)이 아니라 산화 마그네슘입니다. 체계적인 명명법에 따르면 이전 화합물은 일산화 마그네슘이 아니라 일산화 마그네슘이 아닙니다.

전통적인 명명법의 측면에서, 스톡 명명법에서도 동일한 일이 발생합니다. 화합물의 이름은 같은 방식으로 끝납니다. 즉, 접미사 –ico를 사용합니다. 따라서 MgO는이 명명법에 따라 산화 마그네슘입니다.

그렇지 않으면 다른 화합물은 공통 또는 광물 학적 이름을 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있고, 분자 구조와 알킬 (R) 또는 아릴 (Ar) 치환기에 따라 명명되는 유기 분자 (유기 마그네슘 화합물)로 구성 될 수도 있습니다.

유기 마그네슘 화합물과 관련하여 거의 모든 것이 일반 공식 RMgX를 갖는 그리 냐르 시약입니다. 예를 들어, BrMgCH ₃ 은 메틸 마그네슘 브로마이드입니다. 명명법은 첫 번째 접촉에서 그렇게 복잡해 보이지 않습니다.

모양

합금

마그네슘은 경금속이기 때문에 합금에 사용되며 주로 알루미늄과의 합금에 사용되어이 금속의 기계적 특성을 향상시킵니다. 또한 철과 합금에도 사용되었습니다.

그러나 고온에서 부식되는 경향으로 인해 합금에서의 사용이 감소했습니다.

미네랄 및 화합물

반응성으로 인해 고유 또는 원소 형태의 지각에서는 발견되지 않습니다. 오히려 그것은 약 60 개의 알려진 미네랄에 차례로 위치하는 수많은 화학 화합물의 일부입니다.

마그네슘의 가장 일반적인 미네랄은 다음과 같습니다.

-칼슘과 마그네슘의 탄산염 인 백운석, MgCO ₃ CaCO ₃

-마그네사이트, 탄산 마그네슘, CaCO ₃

-브루 사이트, 수산화 마그네슘, Mg (OH) ₂

-carnalite, 마그네슘 포타슘 클로라이드, MgCl ₂ · KCl · H ₂ O.

또한 다음과 같은 다른 미네랄의 형태 일 수 있습니다.

-Kieserite, 황산 마그네슘, MgSO ₄ H ₂ O

-포스 테 라이트, 규산 마그네슘, MgSiO ₄

-크리 소틸 또는 석면, 또 다른 규산 마그네슘, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-활석, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂ .

동위 원소

마그네슘은 자연에서 3 개의 천연 동위 원소의 조합으로 발견됩니다 : ²⁴ Mg, 79 % 풍부; ²⁵ Mg, 11 % 풍부함; 및 ²⁶ Mg, 10 % 풍부. 또한 19 개의 인공 방사성 동위 원소가 있습니다.

생물학적 역할

당분 해

마그네슘은 모든 생명체의 필수 요소입니다. 인간은 매일 300-400mg의 마그네슘을 섭취합니다. 체내 함량은 성인의 경우 22 ~ 26g으로 주로 뼈 골격 (60 %)에 집중되어 있습니다.

당분 해는 포도당이 2 개의 ATP 분자의 순 생산과 함께 피루브산으로 변환되는 일련의 반응입니다. Pyruvate kinase, hexokinase 및 phosphofruct kinase는 Mg를 활성화 제로 사용하는 해당 과정의 효소입니다.

DNA

DNA는 구조에 음으로 하전 된 인산기를 가진 두 개의 뉴클레오티드 사슬로 구성되어 있습니다. 따라서 DNA 가닥은 정전기 반발을 겪습니다. Na ⁺ , K ⁺ 및 Mg ²⁺ 이온 은 음전하를 중화하여 사슬의 해리를 방지합니다.

ATP

ATP 분자에는 음으로 하전 된 산소 원자를 가진 인산염 기가 있습니다. ATP 분자를 절단 할 수있는 인접한 산소 원자 사이에서 전기적 반발이 발생합니다.

이것은 마그네슘이 인접한 산소 원자와 상호 작용하여 킬레이트를 형성하기 때문에 발생하지 않습니다. ATP-Mg는 ATP의 활성 형태라고합니다.

광합성

마그네슘은 식물 에너지 사용의 중심 과정 인 광합성에 필수적입니다. 그것은 내부에 헤모글로빈의 헴 그룹과 유사한 구조를 가진 엽록소의 일부입니다. 철 원자 대신 마그네슘 원자가 중심에 있습니다.

엽록소는 빛 에너지를 흡수하여 광합성에 사용하여 이산화탄소와 물을 포도당과 산소로 변환합니다. 포도당과 산소는 나중에 에너지 생산에 사용됩니다.

유기체

혈장 마그네슘 농도의 감소는 근육 경련과 관련이 있습니다. 고혈압과 같은 심혈관 질환; 당뇨병, 골다공증 및 기타 질병.

마그네슘 이온은 신경 세포에서 칼슘 채널의 기능을 조절하는 데 관여합니다. 고농도에서는 칼슘 채널을 차단합니다. 반대로 칼슘의 감소는 칼슘이 세포에 들어가도록하여 신경의 활성화를 일으 킵니다.

이것은 주요 혈관 벽에있는 근육 세포의 경련과 수축을 설명합니다.

찾아서 생산하는 곳

마그네슘은 자연에서 원소 상태로 발견되지 않지만 바다, 암석 및 염수에 위치한 약 60 개의 미네랄과 수많은 화합물의 일부입니다.

바다의 마그네슘 농도는 0.13 %입니다. 바다는 크기 때문에 세계에서 가장 중요한 마그네슘 저장고입니다. 다른 마그네슘 저장소는 마그네슘 농도가 1.1 % 인 Great Salt Lake (미국)와 3.4 % 농도의 사해입니다.

마그네슘 미네랄, 백운석 및 마그네사이트는 전통적인 채광 방법을 사용하여 정맥에서 추출됩니다. 한편, 카르 날 라이트 용액에서는 다른 염이 표면으로 올라갈 수 있도록하여 카르 날 라이트를 배경에 유지합니다.

마그네슘이 포함 된 염수는 태양열을 사용하여 연못에 농축됩니다.

마그네슘은 전기 분해와 열 감소 (Pidgeon process)의 두 가지 방법으로 얻습니다.

전기 분해

무수 염화 마그네슘, 부분적으로 탈수 된 무수 염화 마그네슘 또는 무기물 무수 카르 날 라이트를 포함하는 용융 염이 전기 분해 공정에 사용됩니다. 어떤 상황에서는 천연 카르 날 라이트의 오염을 피하기 위해 인공적인 것을 사용합니다.

염화 마그네슘은 다우 사에서 설계 한 절차에 따라 얻을 수도 있습니다. 물은 응집 기에서 약간 하소 된 미네랄 백운석과 혼합됩니다.

혼합물에 존재하는 염화 마그네슘 은 다음 반응에 따라 수산화칼슘을 첨가 하여 Mg (OH) ₂ 로 변환됩니다 .

MgCl ₂ + Ca (OH) ₂ → Mg (OH) ₂ + CaCl ₂

침전 된 수산화 마그네슘은 다음과 같은 화학 반응에 따라 염화 마그네슘과 물을 생성하는 염산으로 처리됩니다.

Mg (OH) ₂ + 2 HCl → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

그런 다음 염화 마그네슘은 25 % 수화에 도달 할 때까지 탈수 과정을 거쳐 제련 과정에서 탈수를 완료합니다. 전기 분해는 680 ~ 750 ºC 사이의 온도에서 수행됩니다.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

양극에서 이원자 염소가 생성되고 용융 된 마그네슘이 염의 상단으로 떠오르며 그곳에서 수집됩니다.

열 감소

증기로부터 증착 된 마그네슘 결정. 출처 : Warut Roonguthai Pidgeon 공정에서 분쇄 및 하소 된 백운석은 미세하게 분쇄 된 페로 실리콘과 혼합되어 원통형 니켈-크롬-철 레토르트에 배치됩니다. 레토르트는 오븐 내부에 배치되며 오븐 외부에있는 콘덴서와 직렬로 연결됩니다.

반응은 1200 ° C의 온도와 13 Pa의 저압에서 발생합니다. 마그네슘 결정은 응축기에서 제거됩니다. 생산 된 슬래그는 레토르트 바닥에서 수집됩니다.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (기체) + Ca ₂ SiO ₄ (슬래그)

칼슘 및 산화 마그네슘은 백운석에 존재하는 탄산 칼슘 및 탄산 마그네슘을 소성하여 생성됩니다.

반응

마그네슘은 산, 특히 oxacids와 격렬하게 반응합니다. 질산과의 반응은 질산 마그네슘 Mg (NO ₃ ) _{2를 생성} 합니다. 같은 방식으로 염산과 반응하여 염화 마그네슘과 수소 가스를 생성합니다.

마그네슘은 수산화 나트륨과 같은 알칼리와 반응하지 않습니다. 실온에서는 물에 녹지 않는 산화 마그네슘 층으로 덮여있어 부식으로부터 보호합니다.

염소, 산소, 질소 및 황과 함께 다른 원소 중에서도 화합물을 형성합니다. 고온에서 산소와 반응성이 높습니다.

응용

-원소 마그네슘

합금

마그네슘 합금은 비행기와 자동차에 사용되었습니다. 후자는 자동차의 무게를 줄이는 오염 가스 배출을 통제하기위한 요구 사항입니다.

마그네슘 응용 분야는 경량, 고강도 및 합금 제조 용이성을 기반으로합니다. 응용 분야에는 수공구, 스포츠 용품, 카메라, 가전 제품, 수하물 프레임, 자동차 부품, 항공 우주 산업 품목이 포함됩니다.

마그네슘 합금은 비행기, 로켓 및 우주 위성의 제조뿐만 아니라 빠르고 제어 된 조각을 생성하기위한 포토 에칭에도 사용됩니다.

야금

마그네슘은 백 주철에 소량 첨가되어 강도와 가단성을 향상시킵니다. 또한 석회와 혼합 된 마그네슘을 액체 고로 철에 주입하여 철강의 기계적 특성을 향상시킵니다.

마그네슘은 티타늄, 우라늄 및 하프늄 생산에 관여합니다. 그것은 티타늄을 생성하기 위해 Kroll 공정에서 티타늄 사 염화물에 환원제 역할을합니다.

전기 화학

마그네슘은 건전지에 사용되며 양극으로 작용하고 염화은은 음극으로 작용합니다. 마그네슘이 물이있는 상태에서 강철과 전기적 접촉을하면 희생적으로 부식되어 강철은 손상되지 않습니다.

이러한 유형의 강철 보호는 선박, 저장 탱크, 온수기, 교량 구조물 등에 존재합니다.

불꽃 쏘아 올리기

분말 또는 스트립 형태의 마그네슘은 화상을 입어 매우 강렬한 백색광을 방출합니다. 이 속성은 불을 피우거나 조명탄을 사용하여 군사 불꽃 놀이에 사용되었습니다.

미분 된 고체는 특히 고체 로켓 추진제에서 연료 성분으로 사용되었습니다.

-화합물

탄산 마그네슘

보일러 및 파이프의 단열재로 사용됩니다. 흡습성이며 물에 용해되기 때문에 일반 소금이 소금통에 뭉쳐서 식품 조미료가 제대로 흐르지 않는 것을 방지하는 데 사용됩니다.

수산화 마그네슘

난연제로 적용됩니다. 물에 녹아 제산제와 완하제로 사용되는 희끄무레 한 현탁액 인 잘 알려진 마그네시아 우유를 형성합니다.

염화 마그네슘

고강도 바닥 시멘트 제조에 사용되며 섬유 제조에 첨가제로 사용됩니다. 또한 두부 생산을 위해 두유의 응집제로 사용됩니다.

산화 마그네슘

고온에 견디고 열 및 전기 절연체로 내화 벽돌 제조에 사용됩니다. 완하제와 제산제로도 사용됩니다.

황산 마그네슘

시멘트와 비료, 무두질 및 염색을 위해 산업적으로 사용됩니다. 또한 건조제입니다. 엡 솜염 인 MgSO ₄ · 7H ₂ O는 정화제로 사용됩니다.

-미네랄

활석 가루

Mohs 척도에서 최소 경도 표준 (1)으로 간주됩니다. 종이와 판지 제조에 필러 역할을 할뿐만 아니라 피부의 자극과 수분 공급을 방지합니다. 내열성 재료의 제조에 사용되며 화장품에 사용되는 많은 분말의 기초로 사용됩니다.

크리 소 타일 또는 석면

그것은 천장 제조를 위해 단열재 및 건설 산업에서 사용되었습니다. 현재 폐암 섬유로 인해 사용되지 않습니다.

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